Методы получения углеродных нанотрубок
Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена. Считается, что первооткрывателем углеродных нанотрубок является сотрудник японской корпорации NEC Сумио Ииджима, который в 1991 году наблюдал структуры многослойных нанотрубок при изучении под электронным микроскопом осадков, которые образовывались в процессе синтеза молекулярных форм чистого углерода, имеющего клеточную структуру.
В настоящий момент существуют всего три основные технологии получения нанотрубок и множество их модификаций: 1. Метод лазерного испарения; 2. Получение нанотрубок с использованием вольтовой дуги; 3. CVD–технология получения нанотрубок.
Получение нанотрубок на основе метода лазерного испарения Технология этого процесса изображена на рис. 1. Рис. 1. Схема установки для получения нанотрубок методом лазерного испарения При использовании этого метода происходит испарение образца графита с помощью мощного лазерного импульса в парах инертного газа аргона. Образец заключен в прочную кварцевую трубку, которая дополнительно подвергается нагреву в муфельной печи до температуры 1200 °С. Внутри трубки за пределами горячей области находится охлаждаемый водой медный коллектор, на котором и происходит осаждение растущих нанотрубок. В качестве катализатора на поверхность мишени наносят некоторое количество кобальта и никеля. Атомы углерода, выбрасываемые внутрь кварцевой трубки после каждой вспышки лазера, подхватываются потоком инертного газа и переносятся к медному коллектору, на котором и происходит окончательное образование нанотрубок. Средний диаметр нанотрубок, получаемых этим методом, около 10– 20 нм, а длина не превышает 100 микрон.
Технология получения нанотрубок с использованием вольтовой дуги Этот метод заключается в том, что нанотрубки получают, зажигая дугу между двумя графитовыми электродами, находящимися друг от друга на расстоянии 1 мм. Электроды погружены в атмосферу гелия под давлением порядка 500 Торр. Напряжение зажигания разряда составляет величину порядка 20– 25 В. Нанотрубки осаждаются на отрицательном электроде, при этом положительный электрод покрывают частицами катализатора. В качестве катализаторов в зависимости от вида техпроцесса могут использоваться не только кобальт или никель, но также железо, молибден, золото, иттрий и многие другие металлы. Общепринято представление о том, что частицы катализатора служат зародышами образования нанотрубок, но относительно конкретного механизма воздействия частиц катализатора единого мнения нет. Согласно одной из гипотез, атомы катализатора, подобно скутеру, обегают растущую нанотрубку по диаметру и способствуют присоединению к ней новых атомов углерода слой за слоем. Следует отметить, что без катализатора также возможно образование нанотрубок, но они в большинстве случаев получаются многослойными (то есть вложенными одна в другую). В любом случае, в процессе синтеза обычно получается смесь нанотрубок разных типов и в различных пропорциях, которую нужно дополнительно разделять для получения заданного типа нанотрубок в чистом виде.
Метод химического осаждения из паровой фазы (CVD) Данный метод в настоящее время считается наиболее перспективным, поскольку позволяет получать готовый продукт в непрерывном режиме и допускает более гибкое управление параметрами техпроцесса. Схема технологического процесса показана на рис. 2. Рис. 2. Схема технологического процесса получения углеродных нанотрубок методом CVD
Принцип действия установки основан на термическом разложении метана или другого углеродсодержащего газа и осаждении атомов углерода на более холодной подложке, покрытой частицами катализатора. Под воздействием катализатора на подложке происходит рост нанотрубок. Подложка помещена в емкость, разогреваемую каким–либо способом до рабочей температуры процесса 1100 °С. Использование чистого метана в качестве исходного сырья не позволяет организовать стабильный технологический цикл производства нанотрубок, поскольку в результате термического разложения метана на подложке осаждаются не только нанотрубки, но также большое количество аморфных соединений углерода, которые покрывают частицы катализатора и тем самым инактивируют их, прерывая процесс роста нанотрубок. Для борьбы с этим явлением группа японских ученых в 2004 году предложила добавлять в состав газовой смеси пары воды из расчета 1/10 000 часть водяного пара на остальные части газовой смеси, в число которых кроме метана могут также входить какие–либо инертные газы. В результате добавления водяного пара аморфный углерод стал эффективно связываться, оставляя частицы катализатора в активном состоянии, что позволило организовать непрерывный цикл получения нанотрубок. Кроме того, добавление водяного пара также позволило улучшить характеристики получаемого продукта. В частности, удалось получить более упорядоченные пакеты нанотрубок.
Вывод Таким образом, можно заметить, что ни один из рассмотренных технологических процессов не контролируется настолько, чтобы исследователи могли получать структуры на основе нанотрубок со строго заданными свойствами. В результате всех рассмотренных видов техпроцессов получаются смеси различных видов нанотрубок с преимущественным содержанием того или иного компонента. Кроме того, одна из самых важных на настоящий момент задач заключается в отыскании способов получения строго упорядоченных в пространственном отношении пучков нанотрубок. Нанотрубки получаются недостаточно длинными и расположенными хаотично, клубками. Очевидно, что настало время для поисков альтернативных способов производства нанотрубок и технологических процессов с более управляемыми параметрами.
Спасибо за внимание! Выполнила: Ткаченко А. Е.
Скачать презентацию Методы получения углеродных нанотрубок Углеродные нанотрубки
Методы получения углеродных нанотрубок.pptx